Ein neues Plasmabetriebsszenario im Super-I-Modus wurde entdeckt und auf dem Experiment Advanced Supraconductor Tokamak (EAST) demonstriert. Der neue High-Confinement- und Selbstorganisationsmechanismus stellt die Zuverlässigkeit und Weiterentwicklung der Maschine selbst dar, bietet aber auch Einblicke, wie das Plasma und seine Betriebsstabilität besser aufrechterhalten werden können.
Das Team vom Institute of Plasma Physics, Hefei Institutes of Physical Science, CAS berichtete über seine Ergebnisse in einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Wissenschaftliche Fortschritte.
Die aufregende Entdeckung wurde während der EAST-Kampagne im vergangenen Jahr gemacht, bei der ein stationäres Plasma mit einer Weltrekord-Pulslänge von 1056 s realisiert wurde.
Die Wissenschaftler waren überrascht, als sie feststellten, dass dieser neue Modus im Vergleich zu dem I-Modus, der ursprünglich bei anderen Fusionsgeräten beobachtet wurde, den Energieeinschluss noch dramatischer verbessert hatte, weshalb er als Super-I-Modus bezeichnet wurde.
Der neue Modus erregte aufgrund seiner aufregenden Eigenschaften die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler. Es zeigte eine viel höhere Energiebegrenzung als der I-Modus und war mit dem H-Modus vergleichbar. Bei langfristig hoher Plasmaleistung war die Wärmebelastung der Komponenten, die Hochtemperaturplasma ausgesetzt waren, aufgrund des Fehlens großer kantenlokalisierter Moden moderat.
Nach der Datenanalyse verstanden die Wissenschaftler die Gründe für den deutlich verbesserten Energieeinschluss.
„Wir haben die interne Elektronentransportbarriere im Plasmazentrum aufrechterhalten“, erklärte Dr. Zhang Bin, ein Bediener des EAST-Teams, „die mit dem I-Modus am Rand zusammenarbeitete, dann wurde die Energie stark eingeschränkt.“
Neben dem verbesserten Energieeinschluss hat der Super-I-Modus auch Vorteile gegenüber anderen Szenarien, wie z. B. keine zentrale Ansammlung von metallischen Verunreinigungen im Kern, der Partikelfluss auf dem Divertor blieb extrem stabil und hielt ruhige stationäre Plasma-Wand-Wechselwirkungen aufrecht. Insgesamt könnte es das grundlegende Betriebsszenario von ITER, dem größten Tokamak der Welt, werden.
Eine fortschrittliche und offene experimentelle Plattform
Fusion ist der Prozess, bei dem zwei Wasserstoffatome miteinander verschmelzen, um ein Heliumatom zu bilden, während eine große Menge an Energie freigesetzt wird, durch die Sonne und Sterne angetrieben werden.
Fusionswissenschaftler, die versuchen, die Kraft der Sonne auf der Erde zu replizieren, möchten, dass die Fusionsreaktion auf gut kontrollierte Weise abläuft. Sie hoffen, dass die Gesellschaft irgendwann auf völlig neue, aber viel effizientere und umweltfreundlichere Weise mit Strom versorgt werden könnte.
Wissenschaftler auf der ganzen Welt untersuchen dieses Problem seit Jahrzehnten auf unterschiedliche Weise. Als Ergebnis wurden Dutzende von Fusionsforschungsmaschinen entworfen, gebaut und betrieben.
EAST ist eine dieser experimentellen Plattformen, die mit dem Ziel gebaut wurde, wichtige technologische und physikalische Probleme von Langpulsoperationen anzugehen. Es nimmt Tokamak als technologischen Weg und wendet eine magnetische Konfiguration wie ITER an, die bisher eine der umfangreichsten internationalen wissenschaftlichen Kooperationen ist, an der 35 Länder beteiligt sind und die sich über 35 Jahre erstreckt.
Seit seiner ersten Entlassung im Jahr 2006 führt EAST jedes Jahr zwei Kampagnenrunden durch. Tausende von Experimenten wurden unabhängig von der hauseigenen Gruppe oder gemeinsam mit der internationalen Fusionsgemeinschaft durchgeführt.
Im vergangenen Jahr erreichte die Maschine im Mai für 101 Sekunden eine Plasmatemperatur von 120 Millionen Grad Celsius. Kurz darauf wurde der hunderttausendste Schuss durchgeführt, gefolgt von einer Rekordzeit von 1.056 s für Hochtemperatur-Tokamak-Plasma am Ende desselben Jahres.
Angespornt durch den rekordlangen Plasmabetrieb vergruben sich die Wissenschaftler sofort in die Datenanalyse. Sie wollten mehr von der „Geschichte hinter dem Rekord“, sagte Prof. Qian Jinping, stellvertretender Leiter der Tokamak Experiment Division. „Wir haben uns alle auf den Rekord gefreut. Das war sicherlich ein Meilenstein unserer Maschine.
Als fortschrittliche experimentelle Plattform spielt die Maschine eine wesentliche Rolle bei der Erforschung der Fusionsphysik, -technologie und -technik. Anfang dieses Jahres haben EAST und seine internationalen Mitarbeiter zum ersten Mal die durch Turbulenzen angetriebene Strömung anhand von Beobachtungsdaten aus dem jüngsten Experiment und anschließenden Simulationen experimentell nachgewiesen.
„Die Maschine ermöglicht es uns, Ideen zu bezeugen, physikalische Phänomene zu beobachten und dann die Daten zu analysieren, um zu wissen, warum“, sagte Qian und erläuterte, wie eine fortschrittliche experimentelle Plattform die Forschung „bei jedem Schritt vorwärts“ erleichtert.
Mehr Informationen:
Yuntao Song et al., Realisierung von Tausendsekunden-verbessertem Confinement-Plasma mit Super-I-Mode in Tokamak EAST, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.abq5273. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq5273